Örebro universitet Örebro University
Institutionen för School of Science and Technology naturvetenskap och teknik SE-701 82 Örebro, Sweden
Maskinteknik C, Examensarbete, 15 högskolepoäng
UTVECKLING AV VÄGGENOMFÖRINGAR
AV TYPEN RIP
Jens Karlsson
Maskiningenjörsprogrammet, 180 högskolepoäng Örebro vårterminen 2015
Examinator: Jens Ekengren
Sammanfattning
Examensarbetet har genomförts på ABB Components i Ludvika. ABB Components är en affärsenhet inom ABB-koncernen som tillverkar nyckelkomponenter till transformatorer, bland annat genomföringar som kan ses som en isolerande hylsa vars uppgift är att föra högspänd ström genom jordade plan.
Examensarbetets syfte är att utföra en förstudie som sedan ska fungera som underlag för ABB Components utvecklingsarbete vad gäller genomföringar av typen RIP (Resin Impregnated Paper). Bakgrunden till förstudien är ökade miljökrav världen över vilket innebär en marknad där miljöfrågor får allt större inverkan. Följden av marknadens utveckling är att ABB
Components har insett att de har ett glapp i produktportföljen vad gäller genomföringar av typen RIP.
För att skapa det underlag som är nödvändigt för att nå målet med förstudien har metoder som intervjuer, observationer och sökningar i databaser tillämpats. Målet med förstudien har sedan uppnåtts genom att generera lösningskoncept i form av CAD-modeller. Utifrån lösnings-koncepten har sedan en identifiering av begränsningar i tillverkningsprocesser varit möjlig. Identifiering av begränsningar i tillverkningsprocesser har sedan konstaterat att ABB
Components har kunskapen och de resurser som krävs för att tillfredsställa marknadens behov vad gäller genomföringar av typen RIP.
Abstract
This thesis has been carried out at ABB Components in Ludvika. ABB Components is a business unit within ABB Group, which manufactures key components for transformers, including bushings that can be seen as an insulating sleeve whose function is to bring high-voltage current through a grounded plane.
The thesis aims to carry out a pilot study that will serve as basis for ABB Components
development of bushings of type RIP (Resin Impregnated Paper). The background to the pilot study is increased environmental requirements worldwide, which means a market where
environmental issues are increasingly impact. The consequence of market developments is
that ABB Components have recognized that they have a gap in the product portfolio in terms of bushings of type RIP.
To create the information that is necessary to achieve the aim of the pilot study, methods such as interviews, observations, and searches in databases has been applied. The aim of the pilot study has been achieved by generating solution concepts in the form of CAD models. Based on solution concepts, an identification of limitations in manufacturing processes has been possible. Identification of limitations in manufacturing processes has determined that ABB Components have the knowledge and resources necessary to satisfy the market's needs in terms of bushings of type RIP.
Förord
Denna rapport är resultatet av ett examensarbete vid avdelningen för orderkonstruktion och produktvård på ABB Components i samarbete med Örebro universitet. Examensarbetet
omfattar 15 högskolepoäng och är ett avslutande moment i en högskoleingenjörsexamen inom maskinteknik vid Örebro universitet.
Ett speciellt tack riktas till min handledare på ABB Components, Annika Axelsson, för hennes intresse och ovärderliga kunskap under hela examensarbetet. Ett stort tack till övriga
medarbetare på orderkonstruktion- och produktvårdsavdelningen som har bidragit med
värdefull information och en hög trivselfaktor. Vidare vill jag tacka Johan Eriksson och Urban Schander som har gett mig chansen att göra examensarbetet på ABB Components. Tack till Hanna Ekstrand som har bidragit med värdefull information och support under hela
examensarbetet. Jag vill även rikta ett tack till övriga medarbetare på ABB Components, både på kontoret och i verkstaden för deras värdefulla information. Tack till min handledare på Örebro universitet, Patrik Karlsson, som har bidragit med goda råd och gett mig feedback under examensarbetets gång.
Örebro, juni 2015
Innehållsförteckning
1 INLEDNING ... 6
1.1 Företaget ... 6
1.2 Projektet ... 8
1.3 Syfte och avgränsningar ... 9
1.4 Mål ... 9
2 BAKGRUND ... 10
2.1 Problemformulering ... 11
2.2 Vad har företaget gjort tidigare ... 12
2.3 Beskrivning av teknikområdet ... 12 3 TEORETISK REFERENSRAM ... 13 3.1 Designprocessen ... 13 3.2 Produktutvecklingens faser ... 14 3.3 Produktbeskrivning – Genomföring ... 15 4 METOD ... 18 4.1 Val av metod ... 18 4.2 Informationsinsamling ... 18 4.2.1 Katalogmetoden ... 18
4.2.2 Intervjuer och fokusgrupper ... 18
4.2.3 Nulägesanalys ... 19 4.3 Framtagning av lösningskoncept ... 20 4.3.1 Kravspecifikation ... 20 4.3.2 Idégenerering – Brainstorming ... 20 4.4 Verktyg ... 21 5 RESULTAT ... 22 5.1 Resultat av informationsinsamling ... 22 5.1.1 Produkten idag ... 22 5.1.2 Processkartläggning ... 24 5.1.3 Konkurrensanalys (Benchmarking) ... 25 5.2 Framtagning av lösningskoncept ... 27 5.2.1 Kravspecifikation ... 27 5.2.2 Idégenerering – Brainstorming ... 28 5.3 Lösningskoncept ... 28
5.3.1 Koncept 1 – Genomföring med GGFL-fläns ... 28
5.3.2 Koncept 2 – Genomföring utan fästfläns ... 30
5.3.3 Koncept 3 – Genomföring med lindningsrör ... 32
5.3.4 Koncept 4 – Genomföring ”GSBL” ... 33
5.4 Identifiering av begränsningar i tillverkningsprocesser ... 35
6 DISKUSSION ... 40
6.1 Värdering av resultat ... 40
7 SLUTSATSER ... 44 8 REFERENSER ... 45 BILAGOR A: GWP-faktor B: Konkurrerande lösning - HSP C: Ursprunglig kravspecifikation D: Ritning – Koncept 1: ”GGFL-fläns” E: Ritning – Koncept 2: ”Utan fästfläns” F: Ritning – Koncept 3: ”Med lindningsrör” G: Ritning – Koncept 4: ”GSBL”
H: Formningshiss
I: Gjutning med singelgjutkärl ”autoklav” J: Palett för gelning av genomföring K: Tänkbart produktionsflöde
1 Inledning
1.1 Företaget
ABB är en multinationell verkstadskoncern som är världsledande inom kraft- och automationsteknik. Koncernen har sitt säte i Zürich, Schweizochhar cirka 140 000
medarbetare världen över. Koncernen omsätter årligen cirka 40 miljarder USD. I Sverige har ABB cirka 9 000 medarbetare och de största verksamhetsorterna är Västerås med cirka 4200 medarbetare samt Ludvika med cirka 2700 medarbetare [1].
I slutet av 1800-talet gick Elektriska Aktiebolaget i Stockholm samman med Wenström & Granströms och bildade ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget). Detta efter att Jonas Wenström uppfann trefassystemet för generatorer, transformatorer och motorer år 1889. ASEA kom sedan att bli grundpelaren för elektrifiering av Sveriges industrier, hem och järnvägar i närmare 100 år innan ASEA år 1988 gick samman med det schweiziska
elektrotekniska företaget Brown Bovery & Cie och bildade ABB (Asea Brown Boveri) [2]. ABB består av fem divisioner, se figur 1, världen över som i sin tur är organiserade i förhållande till de branscher de verkar i [1].
Forskning och utveckling (FoU) har alltid varit vitala delar i ABB:s långsiktiga strategi och resultatet är en lång lista av innovationer. Teknik som högspänd likströmsöverföring (HVDC)
och en banbrytande framdrivningsmetod för fartyg är ett resultat av ABB:s framåtanda vad gäller forskning och utveckling. Företagets FoU-verksamhet är en starkt bidragande orsak till företagets världsledande position när det gäller tillverkning av motorer- och drivsystem, generatorer och kraftnätsprodukter [1].
ABB Components i Ludvika är en affärsenhet inom divisionen Power Products och tillverkar komponenter till transformatorer [4]. Transformatorer är nyckelkomponenter i elnät som omvandlar elektrisk energi från en spänningsnivå till en annan [5]. I figur 2 illustreras dels en transformator med integrerade genomföringar, så kallade transformatorgenomföringar och dels en genomföring för tillämpning i vägg, en så kallad väggenomföring. ABB Components är uppdelat i två enheter. Den ena är enheten för Lindningskopplare [4] som kort kan
beskrivas som transformatorns ”växellåda” som reglerar att utgående spänning hålls på en konstant nivå vilket bidrar till en god elkvalitet [6]. Den andra är enheten för Genomföringar. Genomföringar kan beskrivas som en isolerande hylsa vars uppgift är att leda ström med hög spänning genom jordade plan (transformatorer eller väggar) utan att strömmen går i jord, det vill säga utan risk för överslag [7].
Enheten för genomföringar på ABB Components tillverkar olika genomföringstyper och dessa kategoriseras utifrån typ av isolation [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 3 april 2015]:
Oil Impregnated Paper (OIP): Oljeimpregnerade genomföringar har papper impregnerat med transformatorolja som huvudsakliga isolationsmaterial. OIP-teknik Figur 2. Till vänster ses två genomföringar (”hylsor”) integrerade i en transformator. Till
är den vanligaste och mest beprövade tekniken som används. Generellt har olje-impregnerade genomföringar bra termisk- och elektrisk prestanda och prisnivån är förhållandevis låg jämfört med andra genomföringstyper. Nackdelar är närvaron av transformatorolja vilket innebär en negativ miljöpåverkan. Vidare innebär OIP-teknik ökad risk för brand i samband med haverier, låg mekanisk styrka och begränsning vad gäller vinkel vid montage [9].
Resin Impregnated Paper (RIP): Hartsimpregnerade genomföringar har papper impregnerat med epoxiharts som främsta isolationsmaterial. RIP-teknologin innebär en genomföring med mycket god termisk- och elektrisk prestanda. RIP-genomföringar innehåller ingen transformatorolja vilket reducerar brandrisken och eliminerar risken för miljöskador i samband med haverier. Nackdelen är att tekniken innebär mer komplexa tillverkningsprocesser vilket ger en dyrare produkt i jämförelse med oljeimpregnerade genomföringar [9].
Gas: Gasisolerade genomföringar använder komprimerad SF6-gas (svavelhexafluorid) som huvudsakliga isolationsmedium. Avsaknaden av impregnerat papper som OIP- och RIP-teknik innebär ger en lätt men robust genomföring med mycket goda mekaniska egenskaper. En gasisolerad genomföring är cirka 25 % lättare än en oljeimpregnerad genomföring med jämförbar elektrisk kapacitet [10]. Huvudsakliga nackdelen är förekomsten av svavelhexafluorid som är en växthusgas med kraftig negativ miljöpåverkan [11].
1.2 Projektet
Projektet har genomförts på orderkonstruktion- och produktvårdsavdelningen för
genomföringar på ABB Components. Projektet är ett utvecklingsprojekt som primärt handlar om att undersöka och utreda vilka förutsättningar som finns för företaget vad gäller
utveckling av väggenomföringar. Handledare på företaget är Senior Engineer Annika
Axelsson som tillsammans med andra medarbetare har bistått med information och kunskap gällande arbetet. Handledare från Örebro universitet är Patrik Karlsson, postdoktor inom maskinteknik. Examinator är Jens Ekengren, universitetslektor inom maskinteknik.
1.3 Syfte och avgränsningar
Syftet är att utföra en förstudie med ändamål att identifiera tänkbara faktorer som har eller kan ha inverkan på företagets utveckling av genomföringar av typen RIP. Förstudien ska sedan fungera som underlag för det fortsatta utvecklingsarbetet.
Förstudiens tidsram är 10 veckor och behöver därför avgränsas för att rymmas inom given tidsram:
Förstudien begränsas till genomföringstyper för växelström (AC).
- ABB Components tillverkar genomföringar för både likström (DC) och växelström (AC).
Förstudien begränsas till väggenomföringar av typen RIP.
- ABB Components produktkatalog för RIP-genomföringar omfattar tillämpning för både transformatorer och väggar.
Förstudien begränsas till väggenomföringar av typen RIP med isolanter av silikongummi.
- Traditionellt sett är isolanter av porslin den vanligaste tillämpningen på genomföringar men det blir det allt vanligare med isolanter av silikongummi. Fördelar med silikongummi i jämförelse med porslin är bland annat högre grad av hydrofobicitet (förmåga att stöta bort vatten) och lägre densitet vilket ger lägre vikt. Andra fördelar med isolanter av silikongummi i jämförelse med porslin är att de består av ett material som inte splittras om den utsätts för vandalism, mekaniska spänningar etc. vilket bidrar till ökad säkerhet när det gäller personskador och skador vid transport [12].
1.4 Mål
Målet med förstudien är:
- Ta fram tänkbara lösningskoncept på en väggenomföring av typen RIP för spänningsnivåer upp till 420 kV (AC).
- Klarlägga tänkbara faktorer i tillverkningsprocesser som begränsar tillverkning och vidareutveckling av lösningskoncepten.
2 Bakgrund
Då världen blivit alltmer global med en ökad konkurrens samt medvetenhet bland kunder har förändringstakten hos svenska företag och organisationer förmodligen aldrig varit större. Ökade krav vad gäller pris, prestanda, säkerhet och miljöpåverkan får alltmer inverkan på ett företags sätt att leda organisationen mot framgång [13]. Vikten av att förstå och kunna uppfylla marknadens behov samt utveckla och utnyttja resurser är en förutsättning för att klara av den accelererande konkurrensen. En konkurrens med produktgenerationer som avlöser varandra i ett allt högre tempo kräver långsiktiga lösningar genom ständig satsning på utveckling och innovation [14].
Ökad konkurrens och en marknad som hela tiden pressas till det yttersta påverkar samhället i allt högre grad. Vi lever idag i ett industrisamhälle och belastar miljön mer än vad som är långsiktigt gångbart. Begrepp som ”global uppvärmning” och ”växthuseffekt” är en direkt konsekvens av samhällets utveckling. Samtidigt som problemen är märkbart uppenbara så används tekniker världen över med väldokumenterad kraftig negativ miljöpåverkan [14]. Högspänningsprodukter som till exempel väggenomföringar med svavelhexafluorid som isolationsmedium är exempel på teknik med dokumenterad negativ miljöpåverkan
[A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 3 april 2015]. Svavelhexafluorid används som isolationsmedium på grund av gasens förmåga att isolera och dämpa ljusbågar [11].
Svavelhexafluorid är en artificiell växthusgas som tillsammans med fluorkolväten och perfluorkarboner går under benämningen fluorerade gaser, så kallade F-gaser [11].
Fluorerade gaser är antropogena (uppkomna efter människans verksamhet) och har en hög faktor för global uppvärmingspotential (GWP-faktor) [15]. GWP-faktor är ett index som visar de radioaktiva egenskaperna och den kombinerande effekten av de olika tiderna som gaserna finns kvar i atmosfären i förhållande till koldioxid [11]. Svavelhexafluorid har GWP-faktor på 22 200 vilket gör att ett kilo av gasen har samma effekt som 22 200 kilo koldioxid.
Koncentrationen av svavelhexafluorid i atmosfären är låg i förhållande till koldioxid men på grund av gasens långa uppehållslängd(3200 år) och absorbering av infraröd strålning har gasen potential att påverka klimatet långt in i framtiden [15]. Se bilaga A för GWP-faktor och uppehållslängd i atmosfären för svavelhexafluorid i förhållande till andra växthusgaser. Vetskapen om miljökonsekvenserna vad gäller användning av svavelhexafluorid i
genomföringar har lett till att kravspecifikationer från ABB Components kunder alltmer innefattar krav på genomföringstyper utan varken gas (svavelhexafluorid) eller olja
(transformatorolja), en så kallad RIP-genomföring. Ökade miljökrav medför att alltfler kunder specificerar ”No SF6” i sina kravspecifikationer [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation,
3 april 2015]. Genomföringar fyllda med transformatorolja som konventionellt innefattar porslinsisolanter ökar brandrisken och undersökningar visar att 10 av 11 bränder i
transformatorer beror på oljehaltiga porslinsgenomföringar. Genomföringar på en transformator står för mindre än 5 % av omkostnaderna för en transformator men
konsekvenserna av ett haveri kan vara otillbörligt stora både vad gäller personskador och ekonomiska omkostnader [16].
Vad gäller väggenomföringar erbjuder ABB Components idag två alternativ till sina kunder. Det ena alternativet är gasisolerade genomföringar och det andra är RIP-genomföringar. Vetskapen om miljökonsekvenserna av svavelhexafluorid och det förhållandevis höga priset på gasisolerade väggenomföringar gör att allt fler kunder väljer bort dessa till fördel för RIP-varianter. Med en utveckling där RIP-teknik får alltmer utrymme har ABB Components kommit till insikt att det finns ett glapp i vad de kan erbjuda sina kunder när det gäller genomföringar av typen RIP för tillämpning i vägg [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 3 april 2015].
2.1 Problemformulering
ABB Components tillverkar idag väggenomföringar av typen RIP med spänningsnivåer upp till 123 kV (AC). Tendenser på marknaden visar ett marknadsbehov på nivåer kring 420 kV (AC) och här ligger ABB Components efter sina konkurrenter. Följden blir att ABB
Components inte kan erbjuda sina kunder en produkt som överensstämmer med kundernas krav och önskemål vilket medför att de mister kunder och därmed marknadsandelar. För att säkerställa ABB-koncernens status som världsledande inom kraftöverföringsteknik har man därför insett att man behöver fokusera mer på genomföringar med RIP-teknik och speciellt väggenomföringar. Genom denna förstudie vill ABB Components skapa ett underlag för tänkbara lösningskoncept vad gäller väggenomföringar av typen RIP för spänningsnivåer upp till 420 kV (AC) för att sedan klargöra om koncepten är realiserbara med dagens resurser och även vad pågående investeringar i verkstaden kan innebära [A. Axelsson, ABB, muntlig
kommunikation, 3 april 2015].
2.2 Vad har företaget gjort tidigare
ABB Components har som tidigare nämnt ett begränsat utbud vad gäller väggenomföringar av typen RIP. Företaget har däremot kommit längre vad gäller RIP-genomföringar för
tillämpning i transformatorer. ABB Components erbjuder transformator-genomföringar av typen RIP med spänningsnivåer upp till 800 kV (AC) vilket innebär en världsledande position inom genomföringsbranschen vad gäller tillämpning för transformatorer [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 5 april 2015].
Företaget har kunskapen och teknologin för att framställa RIP-genomföringar och man hävdar att kunskapen man har från transformatorgenomföringar av typen RIP kan tillämpas på
väggenomföringar. Lämpliga material i tätningssystem som o-ringar och packningar,
fästelement, fuktavvisande komprimerbar geletc. är exempel på komponenter som tillämpas i transformatorgenomföringar och som även kan användas för väggenomföringar
[P. Runnholm, ABB, muntlig kommunikation, 4 maj 2015].
2.3 Beskrivning av teknikområdet
De teknikområden som berör projektet är framförallt: - Produktutveckling (med 3D-modellering) - Produktionsteknik
Både produktutveckling och produktionsteknik är områden som påverkas starkt av en ständig förändring och förbättring vad gäller effektivitet, komplexitet och egenskaper [14].
För att förstå produkten och dess egenskaper har ellära, tillverkningsteknik och maskinteknik varit kompletterande teknikområden.
3 Teoretisk referensram
I detta kapitel presenteras den teori som anses relevant för att skapa den struktur och förståelse som krävs för att nå syftet med förstudien. Då förstudien i första hand är ett utvecklingsprojekt behövs en förståelse för hur utvecklingsprocesser systematiskt kan struktureras på lämpliga sätt. Olika modeller för produktutveckling kommer därför att beskrivas. Vidare krävs en teoretisk bakgrund om produkten och vilka faktorer som är styrande i dess utförande.
3.1 Designprocessen
Designprocessen som beskrivs i boken The Mechanical Design Process av David G. Ullman
är en av två metodmodeller som har gett inspiration och idéer på hur man kan genomföra produktutvecklingsprojekt på ett strukturerat och genomtänkt sätt [17]. I figur 3 illustreras processen och dess faser genom en så kallad vattenfallsmodell där flödet i processen har sin början längst upp för att sedan gå nedåt, som ett vattenfall [17].
Identifiering av drivkrafter och behovinnebär att innan man utvecklar eller vidareutvecklar en
produkt behöver man etablera en förståelse för drivkrafterna hos produkten. Behovet av produkten behöver fastställas och drivkrafter som teknik och marknad behöver utvärderas. I projektplaneringen identifieras uppgiften och beskriver hur den ska delas upp för att nå det
slutgiltiga målet. Definition av produkt innebär att en förståelse för hur produkten behöver vara utformad för att tillfredsställa marknaden är nödvändig. Här tolkar man kundernas behov och förväntningar på produkten och skapar en teknisk beskrivning (kravspecifikation).
Konstruktionskoncept går ut på att generera tänkbara lösningskoncept som kan leda till en
produkt med god kvalité. De tidigare faserna har lagt grunden till förståelsen av produkten och idéer och förslag som uppkommit längs vägen ska nu bearbetas. Produktutveckling
innebär att lösningskoncepten ska analyseras och utvärderas för att finna ett slutgiltigt koncept som sedan arbetas vidare med. Produktsupport innebär att det behöver finnas dokumentation tillgänglig för att stödja tillverkning och montering av koncepten [17].
3.2 Produktutvecklingens faser
Produktutvecklingens faser är en modell för produktutveckling som återfinns i boken
Produktutveckling – Effektiva metoder för konstruktion och design av Johannesson et al. och
är den andra metodmodellen som har gett inspiration och idéer hur man kan arbeta systematiskt vad gäller produktutveckling. I figur 4 illustreras de olika faser processen genomgår [14].
Produktutvecklingens faser inleder med en förstudie. Syftet med förstudien är att bedöma om det finns grund för produktutveckling. Det är viktigt att problemet analyseras
förutsättningslöst och att bakgrundsmaterial tas in så att problemet blir allsidigt belyst.
Produktspecifikation kan ses som en målspecifikation vilken beskriver kriterier som är
relevanta för produktens önskade resultat. Det kan vara krav som alltid måste uppfyllas eller önskemål som är önskvärda hos produkten. Konceptgenerering innebär en första ansats till en
tänkbar lösning av ett konstruktionsproblem. Lösningen kan innehålla en beskrivning av den tekniska lösningen i form av till exempel skisser, principer i text, blockscheman etc.
Konceptsutvärdering och konceptval innebär att lösningarna ska analyseras med avsikt att
bedöma hur bra lösningarna är i förhållande till de krav och önskemål som finns.
Konfiguration och detaljkonstruktion innebär framställning av ett tillverkningsunderlag och
en detaljkonstruktion som är tillräcklig för att kunna producera en prototyp som kan analyseras och testas. Prototyper innebär framställning av prototyper. Det kan vara CAD-modeller eller fysiska prototyper som är fullt fungerande för olika typer av tester.
Tillverkningsanpassning är ofta nödvändig då prototyper många gånger tillverkas utan att ta
hänsyn till bland annat tillverkningskrav som krävs för den slutgiltiga produkten. Det
underlag som har legat till grund för prototypframställningen behöver därför vidareutvecklas och anpassas så att produktens slutgiltiga egenskaper säkerställs [14].
3.3 Produktbeskrivning – Genomföring
För att undvika överslag när en kraftledning går genom ett jordat plan, till exempel en
transformator eller en vägg, behöver man en isolerande hylsa som motverkar att överslag sker mellan kraftledningen och det jordade planet. Denna hylsa kallas för genomföring vilket är en integrerad komponent i högspänningsapplikationer som till exempel transformatorer.
Genomföringens funktion är att isolera och kontrollera elektriska fältstyrkor som kan leda till överslag. Genomföringstypen som förstudien behandlar är en så kallad
kondensator-genomföring. En kondensatorgenomföring är uppbyggd utifrån en elektrisk ledare som omsluts av papper och belägg av aluminiumfolie. Med syfte att skapa en kondensator har en exakt placering av beläggen beräknats fram genom omsorgsfulla beräkningar på de elektriska kraftfält som uppstår när högspänd ström går genom ledaren. Kondensatorns uppgift är att säkerställa en jämn spänningsfördelning vilket gör att de isolerande papperslagren utnyttjas bättre [7].
Vanligtvis används två olika typer av papper som isolation för kondensatorgenomföringar; oljeimpregnerat papper och hartsimpregnerat papper [7]. Hartsimpregnerat papper, som förstudien behandlar, utvecklades på 1960-talet för isolation i högspänningsprodukter [18]. Harts eller som det ibland benämns, epoxiharts, är en polymer med hög elektrisk resistans och med mycket bra egenskaper när det gäller vidhäftning. Epoxiharts kan användas för
tillämpningar både för låga- och höga temperaturer och kan med fördel gjutas utan att luftbubblor bildas vilket är en förutsättning vid isolering av elektriska komponenter. Epoxiharts stelnar med hjälp av en härdare och resultatet blir en styv komponent [19]. För att nå målet med förstudien behövs en förståelse för faktorer som spelar in när det gäller dimensionering av genomföringar. För att isolera och kontrollera att elektriska fältstyrkor hålls på säkra nivåer brukar man definiera fem principiella faktorer som spelar in när det gäller dimensionering av kondensatorkroppen och ledaren. Faktorerna och hur de förhåller sig till varandra illustreras i figur 5. För att erhålla samma kapacitans i hela kondensatorkroppen har alla aluminiumfoliebelägg samma area vilket är anledningen till att de blir kortare desto större diametern blir. Kapacitans är ett mått på hur mycket elektrisk energi som kan lagras [18].
ro = radie på ledaren
rn = radie på yttersta papperslagret
li = längd på första aluminiumfoliebelägg
ln = längd på sista aluminiumfoliebelägg
Um = Märkspänning som går genom ledaren (kV)
Ju högre ström som ska föras genom ledaren desto större behöver diametern på ledaren vara. På samma sätt fungerar det med spänning, ju högre spänning desto större diameter krävs på kondensatorkroppen. Konsekvensen av en större kondensatorkropp blir att många av de ingående komponenterna i genomföringen behöver dimensioneras upp för att
kondensatorkroppen och ledaren ska få plats och för att klara de elektriska krav som ställs. Figur 5. Tvärsnitt på en kondensatorkropp och elektrisk ledare och de faktorer som påverkar[18].
Figur 6. Faktorer som påverkar dimensionen, utifrån muntlig kommunikation [D. Gustavsson, ABB, 18 april 2015].
[D. Gustavsson, ABB, muntlig kommunikation, 18 april 2015].
Ytterliggare faktorer som är av betydelse när det gäller dimensionering är att ju högre
spänning desto längre behöver spelet (eng. air clearence) vara mellan kraftledningen och det jordade planet. Följden blir att ju högre spänning desto längre behöver genomföringen vara. Man brukar definiera detta som spel mellan vägg och kraftledning (eng. clearence to wall) och spel mellan kraftledning och mark (eng. clearence line-to-ground). Överslagssträcka (eng.
flashover distance) är det minsta avstånd som krävs mellan två strömledande delar på
genomföringen och förkortas FOD. Krav vad gäller längden på överslagsträcka kan variera beroende på om den är inomhus eller utomhus. På grund av en mer kontrollerad miljö, utan till exempel regn och luftföroreningar, är ofta överslagsträckan kortare på inomhusidan. Till höger i figur 6 illustreras en väggenomförings utomsida och spelen som behöver tas hänsyn till för att undvika överslag mellan det jordade planet och kraftledningen [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 5 maj 2015].
En generell tumregel är att ju högre ström och spänning desto större blir genomföringen både på omkretsen och längden [D. Gustavsson, ABB, muntlig kommunikation, 18 april 2015]. Vetskapen om vad som styr genomföringens dimension är en grundförutsättning som krävs för att senare kunna identifiera tänkbara faktorer som har eller kan ha inverkan på företagets utveckling av väggenomföringar av typen RIP. Detta eftersom tillverkningsprocesser som till exempel lindning av kondensatorkropp och monteringslinjer har en främsta begränsning när det gäller dimensionen på komponenterna. Genomföringens vidare funktion och uppbyggnad diskuteras inte mer ingående eftersom det ligger utanför förstudiens syfte.
4 Metod
4.1 Val av metod
Vad gäller val av metod har utgångspunkten varit en metod som passar projektets typ och omfattning men även projektutförarens sätt att arbeta. En genomtänkt och väldefinierad metodmodell med klokt valda faser är ett sätt att uppnå kvalitetssäkring av slutprodukten [20]. Enligt Saunders et al. kan både kvantitativa och kvalitativa ansatser tillämpas vad gäller metod. En kvantitativ ansats bygger ofta på till exempel numerisk data i form av statistik och enkäter (frågeformulär) medan en kvalitativ ansats kan bygga på intervjuer, personlig
kommunikation och observationer [21].
Förstudien har i huvudsak inneburit kvalitativa ansatser där framförallt intervjuer och observationer har gett kvalitativ data rörande faktorer som påverkar vidareutveckling av väggenomföringar av typen RIP. Då förstudien primärt bygger på observationer och intervjuer anses en kvalitativ ansats vara den mest lämpliga metoden. I avsnitt 4.2 definieras hur
kvalitativ data har samlats in på ett strukturerat och genomtänkt sätt.
4.2 Informationsinsamling
4.2.1 Katalogmetoden
Kontinuerligt under hela projektet har katalogmetoden, även kallad litteraturmetoden, använts med syfte att erhålla den kunskap som behövs för att förstå produkten och de olika faser förstudien genomgår. Katalogmetoden är en enkel syntesmetod för att stödja kreativt tänkande i samband med problemlösande. Metoden går ut på att man söker information i litteratur. Med litteratur menas inte bara böcker utan all tänkbar form av litteratur som kan vara till hjälp, till exempel internet, tidskrifter, tidningar etc. [14]. Konkurrensanalysen som har utförts i
förstudien är ett exempel där katalogmetoden har använts genom sökningar på internet och i databaser. För att hitta trovärdiga källor om projektets olika delar har sökningar i olika
databaser via Örebro universitetsbibliotek varit ett återkommande verktyg. Vanliga sökord har varit bland annat ”bushing”, ”resin impregnated paper” och ”wall bushing”.
4.2.2 Intervjuer och fokusgrupper
semi-strukturerade [21]. Strukturerade intervjuer baseras på ett tidigare fastställt frågeformulär för att skapa en intervjumetodik som innebär att frågorna ställs exakt som de är skrivna och där svarsalternativen ofta är förtryckta. Ostrukturerade intervjuer innebär en metodik där
intervjuaren inte utgår från förutbestämda frågor utan vill studera ämnet på djupet genom att låta respondenten diskutera fritt kring det ämne som är förutbestämt. Semi-strukturerade intervjuer innehåller både strukturerade och ostrukturerade delar där samtalet inleds med förutbestämda frågor som senare övergår till en mer anpassad och öppen diskussion utifrån samtalets innehåll [21].
I förstudien har främst semi-strukturerade intervjuer använts då avsikten med intervjuerna har varit att erhålla svar på förutbestämda frågeställningar men även att skapa en allmän
diskussion om ämnet. Genom semi-strukturerade intervjuer med experter med lång erfarenhet inom genomföringsbranschen har en aktuell lägesbild av företagets utvecklingsarbete (FoU-verksamhet) och verksamheten generellt skapats. En annan fördel som intervjuerna gett är bilden och förståelsen av omvärldens krav och önskemål på produkten vilket sedan lagt grunden till det fortsatta arbetet genom ökad kunskap om vad som eftersträvas av produkten. Fokusgrupper är en begränsad studie där personer i grupp får diskutera sin uppfattning om en ny eller tilltänkt produkt. Man gör inga renodlade intervjuer utan personerna får fritt diskutera kring den aktuella produkten. Målet med fokusgrupper är att gruppen tillsammans kan
diskutera och komma fram till oväntade idéer eller resonemang. På så sätt kan gruppen tillsammans komma fram till idéer och synpunkter som vid en enskild intervju skulle kunna förbises [14]. Fokusgrupper har används i förstudien för att belysa och diskutera de olika koncept som har genererats fram. Genom fokusgrupper har förutsättningar skapats för att erhålla kunskap om hur genomföringen bör konstrueras för att hålla en så hög kvalité som möjligt.
4.2.3 Nulägesanalys
En nulägesanalys har utförts där målet har varit att skapa en bild av företagets produkter, verksamhet, dess olika processer samt hur konkurrensen ser ut på marknaden
(konkurrensanalys). För ökad förståelse vad gäller produkten behövs en grundläggande kunskap om produkten idag, hur den är konstruerad och vad som styr dess utförande. En processkartläggning är nödvändig för att lära känna verksamheten och produkten som
tillverkas. Konkurrensanalys är ett sätt att öka förståelsen för konkurrerande produkter samt generera idéer för hur liknande problem kan lösas [14].En konkurrensanalys kan vara en bra källa till idéer gällande design av produkten och kan även ge kännedom om lösningar på ett särskilt problem man har [20]. Företaget har uttryckt en önskan att konkurrensanalysen ska gälla väggenomföringar av ”torra typer” (utan olja och gas), det vill säga även andra alternativ än hartsimpregnerade genomföringar ska tas med. För att avgränsa konkurrensanalysen
identifieras ”torra” väggenomföringar med isolanter av silikongummi.
4.3 Framtagning av lösningskoncept
4.3.1 Kravspecifikation
Kundernas krav och önskemål gällande produkten har utformats genom en kravspecifikation, som sedan agerar riktmärke i det fortsatta arbetet. I kravspecifikationen ges ingen information hur kundbehoven ska uppfyllas utan anger vad som ska försöka uppnås för att tillfredsställa behoven. Kravspecificering underlättar styrning av utvecklingsarbetet och stödjer
lösningsalternativ [14].
4.3.2 Idégenerering – Brainstorming
För att generera tänkbara lösningskoncept har brainstorming använts. Brainstorming används vanligen i grupp men då projektet sker individuellt så görs avsteg från detta. Man brukar definiera fyra grundregler vid brainstorming [14]:
Kritik är inte tillåten: Försök att inte vara självkritisk till dina idéer utan främja spontanitet
utan att bedöma värdet av förslagen. Kvantitet eftersträvas: En viktig aspekt i en brainstorming är att kvantitet går före kvalitet. Utgångspunkten är att en mindre bra idé faktiskt kan leda till en väldigt bra idé genom association. Gå utanför det vanliga: Ovanliga och kanske helt främmande idéer är välkomna. Det har visat sig att idéer som till en början anses främmande eller rent av tokiga, med viss modifikation, kan vara en utmärkt lösning.
Kombinera idéer: För att åstadkomma möjliga lösningskoncept kan man kombinera olika
4.4 Verktyg
CAD-program: Creo Parametric 2.0 har använts för att skapa tredimensionella lösningskoncept (CAD-modeller). Genom Creo Parametric 2.0 har förutsättningar att visualisera lösningskonceptens form och utseende skapats. Vidare har programmet gett en förutsättning att skapa ritningar utifrån CAD-modellen för att visualisera
dimensioner men även projektioner och snittvyer. Snittvyer skapar förutsättningar att kunna visualisera hur koncepten ser ut invändigt vilket har varit till hjälp för att skapa montagevänliga koncept med hög och jämn hög kvalité vilket är ett krav enligt kravspecifikationen, avsnitt 5.2.1.
PDM-system: PTC Windchill har använts för att finna information och skapa en förståelse för produkten och företaget. PDM står för Product Data Managent och är ett ledningssystem för hantering av ett företags all produktdata. Det kan vara
materialdatabaser, beräkningar, produktionsberedningar etc. [14].
Databaser: Sökningar i olika databaser via Örebro universitetsbibliotek har varit återkommande verktyg som har använts under hela förstudiens gång för att generera trovärdiga referenser.
Intervjuer och fokusgrupper: Intervjuer och fokusgrupper har varit verktyg som har använts kontinuerligt under hela förstudien för att erhålla den kunskap som har varit nödvändig.
5 Resultat
5.1 Resultat av informationsinsamling
5.1.1 Produkten idag
Idag tillverkar ABB Components väggenomföringar för växelström av typen RIP med elektriska nivåer mellan 52-123 kV (märkspänning) och 2000-4000 A (ström).
Genomföringen kallas GSA-AA och figur 7 illustrerar dess utförande, dimensioner och elektriska egenskaper. Tidigare i rapporten har det beskrivits att dimensioner på
genomföringen är av yttersta betydelse för att klara av de spännings- och strömnivåer som krävs av produkten. En GSA-AA med spänningsnivå på 52 kV är cirka 1,3 meter lång medan en GSA-AA för 123 kV är cirka 2,5 meter [22].
På grund av produktvariationer hos genomföringstypen GSA-AA ges nedan en generell beskrivning av ingående komponenter som illustreras i figur 7. Informationen vad gäller de ingående komponenterna har samlats in via intervjuer och observationer av tillverknings-processer.
Elektrisk ledare (eng. Solid conductor): Ledaren är solid och av varierande längd och diameter beroende på strömmens storlek. Materialet i ledaren består av koppar eller aluminium och styrande faktor är även där storleken på strömmen.
Hartsimpregnerad kondensatorkropp (eng. RIP body): Kondensatorkroppen är av varierande längd och diameter beroende på spänningsnivå.
Fästfläns (eng. Mounting flange): Fästflänsen fungerar som ett montageplan för infästning i det jordade planet och är av varierande storlek och material beroende på tillämpning. För att testa genomföringens kvalité när det gäller elektriska egenskaper är ett mättutag (eng. test tap) placerat i fästflänsen. Mätuttaget förbinds med det yttersta aluminiumfoliebelägget på kondensatorkroppen för mätning av
genomföringens kapacitans och tangens delta (tan δ). Tangens delta, eller förlustfaktor, är ett mått på dielektriska förluster i isolationen. Hög tangens delta kan vara ett tecken på fukt i genomföringen vilket försämrar dess elektriska egenskaper [18].
Silikongummisolant (eng. Silicone rubber isolator): Verkar fuktavvisande och har en rillprofil för att skapa längre avstånd mellan två strömledande delar på genomföringen. Se figur 8 för hur en rillprofil kan vara utformad. Avståndet som rillprofilen skapar brukar benämnas kryplängd [8]. Isolanter kan tillämpas på båda sidor av fästflänsen beroende på omgivande miljö och kundens eventuella krav på krypsträcka längs hela isolationen.
Yttre terminal (eng. Outer terminal): Är den komponent på genomföringen som förbinder genomföringen med kraftledningen.
5.1.2 Processkartläggning
En förståelse för processflödet, inte bara för GSA-AA utan generellt för genomföringar av typen RIP, är en förutsättning för det fortsatta arbetet. Information vad gäller processflöde för RIP-genomföringar har samlats in via observationer och intervjuer med operatörer och
produktionssamordnare. I processkartläggningen, se figur 9, görs ingen djupdykning i detaljer eller större utsträckning vad gäller variationer utan helheten i tillverkningsprocessen avses.
Tillverkningsprocessen inleds med lindning av kondensatorkropp som sker i en
lindningsmaskin där papper och aluminiumfoliebelägg lindas runt en elektrisk ledare med syfte att skapa en kondensatorkropp. Formning och gjutning innebär att en gjutform
(stålform) monteras utanpå kondensatorkroppen. Sedan placeras gjutformen i ett gjutkärl som fylls med epoxiplast. Därefter står gjutformen i värme och vakuum i ett antal dygn för att sedan fyllas med en härdbar epoxiharts. När kroppen är färdiggjuten och härdad demonteras gjutformen och kroppen skickas till ett externt företag för svarvning där önskad form
åstadkommes. Efter svarvning skickas kroppen i vissa tillämpningar till ytterligare ett externt Figur 9. Processkarta över tillverkningen av RIP-genomföringar.
företag för målning där en speciell lack appliceras på kroppen för att skydda mot fuktinträngning. När kroppen är målad skickas den tillbaka till ABB Components och processen montering av fästfläns vilket innebär att fästfläns och dess mättutag monteras på kroppen. När mätuttaget är på plats tillämpas ett nakenprov. Nakenprovet är ett inledande elektriskt prov för att kvalitetssäkra att gjutning av kropp uppfyller de krav som är ställda. En undermålig gjutning med till exempel luftfickor innebär, med största sannolikhet, att
genomföringen inte klarar de elektriska krav som är ställda på kroppen. Ett underkänt nakenprov tyder på undermålig gjutning och kroppen och det rör som kroppen lindas på kan kasseras i ett tidigt skede. Ur ett ekonomiskt perspektiv är detta fördelaktigt eftersom
processen stoppas och startas om istället för att senare bli underkänd i rutinprovet. Vid
godkänt nakenprov tar montering av övriga komponenter vid för att åstadkomma en komplett genomföring. När alla komponenter är monterade och genomföringen är helt sluten
genomförs gelning. I gelprocessen fylls genomföringen med silikongel som fungerar som tätning mellan kropp och isolant men även för att skydda kroppen mot fuktangrepp. När gelning är utförd och gelen har härdat ska genomföringen rutinprovas. Rutinprovet är ett omfattande elektriskt prov som testar alla de elektriska krav som ställs på genomföringen och dess funktionalitet. Vid godkänt rutinprov skickas genomföringen till packning och
distribution till kund.
5.1.3 Konkurrensanalys (Benchmarking)
5.1.3.1 MGC Moser-Glaser
MGC Moser-Glaser tillverkar väggenomföringar av typen RIP. Teknologin bakom
genomföringarna som de även har patent på kallas Duresca®.Företaget beskriver produkten som kompakt och underhållsfri. Genomföringarna är uppbyggda på samma princip som ABB:s väggenomföringar, det vill säga en elektrisk ledare omsluts av hartsimpregnerat papper med belägg av aluminiumfolie i syfte att säkerställa en jämn spänningsfördelning. De
elektriska egenskaper MGC:s väggenomföringar kan hantera är märkspänningsnivåer på 24−245 kV och strömnivåer på 630−6300 A [23].
5.1.3.2 HSP Hochspannungsgeräte GmbH
HSP är ett dotterbolag till Siemens som fokuserar på genomföringar med RIP-teknik. Deras väggenomföring av typen RIP kallas SEW och de elektriska egenskaper som SEW kan
hantera är märkspänningsnivåer på 52−800 kV och strömnivåer upp till 4000 A [24]. Utifrån ritningar och annan dokumentation framgår att HSP har en del nytänkande när det gäller design som kan vara ett alternativ för ABB Components vad gäller vidareutveckling av väggenomföringar. I bilaga B illustreras designen och vad den innebär.
5.1.3.3 RHM International
RHM International är ett amerikanskt bolag som tillverkar genomföringar för
vägg-applikationer. Teknologin och patentet bakom genomföringarna kallas HV DryShield®. HV DryShield® är uppbyggd utifrån en kondensatorkropp med PTFE (polytetrafluoreten, även kallad teflon) istället för epoxiharts som RIP-teknik innebär. Teknologin är nytänkande och framförallt miljövänlig. Företaget beskriver genomföringarna som helt säkra vad gäller risk för explosion, underhållsfria och att isolationsmaterialet är fullt återvinningsbart. De
elektriska egenskaper RHM:s väggenomföringar kan hantera är märkspänningsnivåer på 40,5−245 kV och strömnivåer på 100−3150 A [25].
5.1.3.4 ABB Micafil
ABB Micafil är ett bolag inom ABB-koncernen som tillverkar RIP-genomföringar. ABB Micafil är inget konkurrerande bolag med ABB Components men då designen på Micafils genomföringar skiljer sig från ABB Components genomföringar har de tagits med i denna sammanställning. Micafil beskriver sig själva som världsledande när det gäller RIP-genomföringar och har sitt säte i Zürich, Schweiz. Deras vägRIP-genomföringar av typen RIP kallas RMI, RMF och RMFF beroende på tillämpning. De elektriska egenskaper Micafils väggenomföringar klarar av är märkspänningsnivåer på 24−300 kV och strömnivåer upp till 5000 A. De beskriver genomföringarna som kompakta, underhållsfria och att de inte kräver övervakning. Genomföringarna kan transporteras och installeras i alla tänkbara vinklar. För att fylla tomrum som kan uppstå mellan kondensatorkropp och till exempel isolanter har de utvecklat en gel i vätskeform som efter härdning bildar en komprimerbar torr fyllning. Gelen benämns MICAGEL [26].
5.2 Framtagning av lösningskoncept
5.2.1 Kravspecifikation
ABB Components har högt ställda krav när det gäller kvalitén på sina produkter. För att generera lösningskoncept som överensstämmer med företagets filosofi vad gäller produkter med bra kvalité har en kravspecifikation, se tabell 1, skapats tillsammans med handledaren på ABB Components. För att harmonisera med rapportens omfattning när det gäller tekniska aspekter har den ursprungliga kravspecifikationen skrivits om till en förenklad version (tabell 1) anpassad för denna rapport. Se bilaga C för ursprunglig kravspecifikation.
Enligt den förenklade kravspecifikationen ska genomföringen vara konstruerad för
tillämpning i väggar. För att fästa genomföringen i väggen ska ett montageplan konstrueras. Ett montageplan kan ses som en platta med uttag för skruvförband vilket sedan används för att fästa genomföringen i väggen. Kondensatorkroppen ska impregneras med harts och varken transformatorolja eller någon form av gas får tillämpas. Den ska ha silikongummiisolanter på båda sidor av jordade planet (väggen) och överslagssträcka på respektive sida ska vara minst 3235 mm. Den ska klara av en spänningsnivå på 420 kV (AC) och en strömnivå på 2000 A. Genomföringen ska klara ett temperaturområde på -40°C - +60°C. Den ska även kunna tillämpas utomhus och vara ”fukttät” vilket innebär en sluten volym utan risk för fuktangrepp
på kroppen. Genomföringen ska hålla hög kvalité och vara montagevänlig. Prisnivån på genomföringen ska hållas så låg som möjligt.
5.2.2 Idégenerering – Brainstorming
Utifrån brainstormingen skapades fyra tänkbara koncept som det fortsatta arbetet i förstudien kommer att behandla. Koncepten och kort vad de innebär förklaras nedan.
Koncept 1 – Genomföring med GGFL-fläns: En genomföring inspirerat av företagets gasisolerade genomföringar av typen GGFL kan vara ett alternativ.
Koncept 2 – Genomföring utan fästfläns: En vanlig tillämpning för väggenomföringar är att ha en fästfläns som fungerar som infästning i vägg och för att förbinda två isolantsidor. Ett alternativ kan vara att utnyttja isolanter för att skapa ett montageplan för infästning i vägg och därigenom eliminera behovet av en fästfläns.
Koncept 3 – Genomföring med lindningsrör: Idag kan kondensatorkroppen lindas både på lindningsrör och ledarrör. En flexibel och ibland kostnadseffektiv lösning kan vara att linda kondensatorkroppen på ett lindningsrör istället för ett ledarrör.
Koncept 4 – Genomföring ”GSBL”: ABB Components tillverkar en genomföring som kallas GSBL. GSBL räknas som en väggenomföring för likström (DC) och kan, med viss modifiering, vara en alternativ lösning.
5.3 Lösningskoncept
5.3.1 Koncept 1 – Genomföring med GGFL-fläns
Koncept 1 är inspirerat av ABB Components gasisolerade väggenomföringar som kallas GGFL. Gasisolerade genomföringar av typen GGFL isolerar elektriska fältstyrkor med hjälp av svavelhexafluorid (SF6-gas) vilket innebär en avsaknad av kondensatorkropp till skillnad från hartsimpregnerade genomföringar som isoleras med hjälp av en kondensatorkropp. Skillnaden mellan konceptet och en GGFL är således att konceptet innebär en kondensator-kropp men har i övrigt samma utförande som en GGFL. I figur 10 illustreras hur konceptet är uppbyggt och dess ingående komponenter. För att underlätta förståelsen vad gäller
Figur 10. Koncept 1 – Utförande utan toppstycke och isolant på vänster sida om fästflänsen.
Konceptet är symmetriskt på båda sidor om fästflänsen vilket innebär att utförandet är lika på båda sidor. Konceptet utgår från en solid kopparledare (elektrisk ledare med diameter 96 mm) där kondensatorkroppen har lindats direkt på ledaren. Vad gäller kroppens diameter och sluttande längd är referensobjekt en GSB420 vilket är en transformatorgenomföring för 420 kV (AC). Botten- och toppflänsen på isolanten förbinder konceptets olika komponenter genom skruvförband och skapar således en sluten volym mellan fästflänsen och isolanter och mellan toppstycken och isolanter. Toppstycken kan ses som lock och försluter genomföringen i vardera ände och skapar således en helt sluten genomföring.
I figur 11 illustreras konceptet i dess helhet och fästflänsen som är placerad i mitten på genomföringen. Genom att placera fästflänsen i mitten på genomföringen skapas
förutsättningar att ha två överslagssträckor med samma längd. Ena sidan på fästflänsen har dimensionerats upp (diameter 700 mm) för att skapa ett montageplan för infästning i vägg. Isolanter som används i konceptet är isolanter av samma typ som används i genomföringar av typen GSB420.
En ritning har skapats utifrån CAD-modellen och en del av ritningen illustreras i figur 12. Se bilaga D för komplett ritning. Syftet med ritningen är att skapa kännedom om konceptets
Figur 11. Koncept 1 – Konceptet i dess helhet och fästflänsen på mitten.
Figur 12. Koncept 1 – Dimensioner.
dimensioner samt hur det är konstruerat genom att tillämpa projektions- och snittvyer. Enligt ritningen innebär konceptet en genomföring med total längd 7857 mm. Genomföringens överslagssträcka (FOD) är 3235 mm på vardera sida om fästflänsen. Fästflänsen är 400 mm bred och är den komponent på genomföringen med störst diameter, 700 mm.
5.3.2 Koncept 2 – Genomföring utan fästfläns
Koncept 2 är ett resultat av bland annat konkurrensanalysen där ett konkurrerande företag utnyttjar ena isolanten för att skapa ett montageplan för infästning i vägg. Se bilaga B för konkurrerande lösning som har lagt grunden till konceptet. Vad gäller rör och kondensator-kropp är uppbyggnaden densamma som koncept 1, det vill säga en solid kopparledare (elektrisk ledare med diameter 96 mm) och en kropp med dimensioner utifrån GSB420. Skillnaden mellan koncepten vad gäller ledare och kondensatorkropp är att kroppens- och ledarens totala längd behöver anpassas till lösningen som konceptet innebär. I figur 13 illustreras hur konceptet är uppbyggd och dess ingående komponenter. För att underlätta förståelsen vad gäller komponenter har toppstycke och isolant tagits bort på vänster sida i figuren. Konceptet är symmetriskt på båda sidor om fästflänsen.
I koncept 2 tillämpas ingen fästfläns, istället utnyttjas isolanter för att skapa ett montageplan för infästning i vägg. För att åstadkomma ett montageplan utan fästfläns krävs en
omkonstruktion av isolanterna. Omkonstruktionen går ut på att förlänga bottenflänsarna och dimensionera upp en av flänsarna för att på så vis skapa ett montageplan för infästning i vägg. Se figur 14 för en isolants bottenfläns och hur den ena bottenflänsen har dimensionerats upp för att användas som montageplan för infästning i vägg. En förlängning av bottenflänsarna är en förutsättning om man tar bort fästflänsen eftersom man behöver ett visst spel mellan infästningen och isolantsidorna [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 13 maj 2015].
Ett ritningsunderlag har skapats även i detta koncept och ritningens helhet illustreras i bilaga E. Enligt figur 15 innebär konceptet en genomföring med en total längd på 7768 mm.
Genomföringens överslagssträcka (FOD) är 3235 mm på vardera sida om väggen. Bottenflänsarna på isolanterna skapar tillsammans en bredd på 600 mm och den största diametern på genomföringen är 700 mm.
Figur 16. Koncept 2 – Till vänster; toppstyckets utförande, till höger; identifiering av hålrum. Figur 14. Koncept 2 – Konceptet i dess helhet och lösningen utan fästfläns.
Figur 16. Koncept 3 – Konceptets utförande.
5.3.3 Koncept 3 – Genomföring med lindningsrör
Som tidigare beskrivet kan kondensatorkroppen lindas på ett lindningsrör istället för direkt på elektriska ledaren. Skillnaden blir att ledaren kan monteras i ett senare skede vilket skapar en flexibel lösning där ledaren kan varieras beroende på kundens krav och önskemål [A.
Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 13 maj 2015]. Konceptet och dess utförande som illustreras i figur 16 är framförallt inspirerat av transformatorgenomföringar som ABB Components tillverkar där principen med lindningsrör används [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 13 maj 2015]. Utåt sett skiljer sig inte koncept 3 och koncept 1 och således beskrivs inte komponenterna mer ingående utan läsaren hänvisas till koncept 1.
För att linda en kondensatorkropp är ett rör en nödvändig komponent men utförandet på röret är av mindre vikt. Det medför att ett enklare aluminiumrör utan elektriska krav är ett
alternativ så länge en elektrisk ledare monteras i ett senare skede [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 13 maj 2015]. I snittfiguren, figur 17, illustreras hur konceptet är uppbyggt och hur lindningsröret förhåller sig till övriga komponenter.
Figur 18. Koncept 3 – Dimensioner.
Figur 19. Koncept 4 – Konceptets komponenter utan isolant och toppstycke till vänster.
I figur 18 framgår att konceptets totala längd är 9908 mm med en överslagsträcka på 4230 mm på vardera sida om fästflänsen. Fästflänsen är 400 mm bred och konceptets största diameter är 800 mm. Se bilaga F för ritningsunderlagets helhet.
5.3.4 Koncept 4 – Genomföring ”GSBL”
Koncept 4 är uppbyggd utifrån en solid kopparledare (diameter 96 mm). Konstruktionen vad gäller kondensatorkroppen skiljer sig från de tidigare koncepten. Kroppen har inga sluttande längder utan innebär en kondensatorkropp med samma diameter längs hela kroppens
isolerande papperslager. I figur 19 illustreras kondensatorkroppens utförande och de komponenter som konceptet innefattar. Fästflänsen är placerad i mitten, likt de andra koncepten, och toppstycken tillämpas i vardera ände för förslutning av genomföringen. I konceptet är isolanterna extruderade direkt på kondensatorkroppen till skillnad från tidigare koncept där de monteras som en separat komponent. Extrudering innebär att isolanten (silikongummirillor) skapas direkt på kroppen genom ett extrudermunstycke. Extrudering direkt på kondensatorkroppen är en metod som ABB Composites i Piteå använder sig av [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 12 maj 2015]. Vid extrudering av isolanter placeras färdiggjuten kondensatorkropp med monterad fästfläns i en maskin som sedan extruderar isolanten med en cirkulär rörelse för att skapa en isolant och rillprofil som önskas [A. Holmberg, ABB, muntlig kommunikation, 12 maj 2015].
Figur 20. Koncept 4 – Fästfläns monterad.
Diameter på kondensatorkroppen är enligt GSB420 för att säkerställa att kondensatorkroppen klarar en isolationsnivå upp till 420 kV (AC). Det som styr längden på kroppen är dels krav på överslagssträcka men även bredden på fästflänsen. I figur 20 illustreras fästflänsen i dess utförande monterad på kondensatorkroppen och med isolanter extruderade på vardera sida.
Ett ritningsunderlag har skapats och en del av det illustreras i figur 21. Ritningsunderlaget i dess helhet illustreras i bilaga G. I figur 21 illustreras konceptet i dess helhet och att konceptet innebär en genomföring med en total längd på 7256 mm. Genomföringens överslagssträcka (FOD) är 3235 mm på vardera sida. Bredden på fästflänsen är 408 mm och konceptets största diameter på genomföringen är 720 mm.
5.4 Identifiering av begränsningar i tillverkningsprocesser
För att kartlägga tänkbara faktorer som har eller kan ha inverkan på ABB Components
möjligheter vad gäller vidareutveckling av väggenomföringar av typen RIP är en kartläggning av nuvarande maskinpark, traverser etc. som används i tillverkningsprocesser en
nödvändighet. Det är en mängd olika produktionstekniska faktorer som styr vad som i slutändan leder till en tillverkningsduglig produkt. I kartläggningen görs ingen djupdykning i detaljer som till exempel lyftverktyg, verktyg för montage, transporter etc. utan målet är att identifiera de faktorer som anses ha störst påverkan vad gäller vidareutveckling. Som tidigare beskrivet har tillverkningsprocessen sin början genom att en kondensatorkropp lindas och det är också där kartläggningen tar vid.
Begränsningar; Lindningsprocessen
ABB Components har ett flertal maskiner för lindning av kondensatorkroppar men endast två alternativ har potential att klara de dimensioner som koncepten innebär. Tänkbara alternativ vad gäller lindningsmaskiner är Lindningsmaskin 1 och Lindningsmaskin 2. Lindnings-processen sker horisontellt i maskinerna. Följande begränsningar finns i respektive lindningsmaskin:
Lindningsmaskin 1:
- Möjlig papperslängd på kondensatorkropp: 6 200 mm - Möjlig längd på lindningsrör/ledarrör: 6 500 mm
- Möjlig lindningsdiameter på kondensatorkropp: 500 mm
- Möjlig diameter på lindningsrör/ledarrrör: Ingen nämnvärd begränsning då anpassningsbart verktyg tillverkas om nödvändigt.
- Travers för i- och urtagning av kondensatorkropp: Lyftkapacitet: 2 000 kg, Lyfthöjd: 9 800 mm
Lindningsmaskin 2:
- Möjlig papperslängd på kondensatorkropp: 12 000 mm - Möjlig längd på lindningsrör/ledarrör: 13 500 mm
- Möjlig lindningsdiameter på kondensatorkropp: 850 mm
- Möjlig diameter på lindningsrör/ledarrrör: Ingen nämnvärd begränsning då anpassningsbart verktyg tillverkas om nödvändigt.
- Travers för i- och urtagning av kondensatorkropp: Lyftkapacitet: 8 000 kg, Lyfthöjd: 9 600 mm.
Begränsningar; Formnings- och gjutningsprocessen
Formning utförs genom att färdiglindad kondensatorkropp placeras vertikalt eller horisontellt i verkstaden med hjälp av travers. Styrande faktorer huruvida vertikalt eller horisontellt läge tillämpas är längden på kroppen samt dess vikt tillsammans med monterad gjutform. Är kroppen för lång kan formning inte utföras vertikalt på grund av begränsad lyfthöjd. För att generera lyfthöjd har ABB Components installerat en så kallad formningshiss. Formnings-hissen är en sänkbar hiss som kan sänkas ner i verkstadsgolvet för att generera längre lyfthöjd. Se bilaga H för illustration av formningshissens funktion. Vad gäller gjutning finns det två tänkbara alternativ. Antingen kan gjutning ske i singelgjutkärl av typen ”S1-S12” eller
singelgjutkärl av typen ”autoklav”. Det som skiljer singelgjutkärlen är framförallt innermåtten på kärlen vilket begränsar hur lång gjutform som kan placeras inuti gjutkärlet.
Tillvägagångssättet vid tillämpning av respektive singelgjutkärl skiljer sig åt men detta diskuteras inte i denna rapport då innermåtten på gjutkärlen anses vara den mest primära begränsningen. Begränsningar i formnings- och gjutningprocessen är:
Gjutformar:
- Nya gjutformar kommer att krävas då koncepten innebär nya dimensioner på kondensatorkroppen [H. Ekstrand, ABB, muntlig kommunikation, 20 maj 2015].
Formning (vertikalt):
- Möjlig nedsänkningslängd på formningshiss: Cirka 6 300 mm
- Möjlig diameter på kondensatorkropp i formningshiss: Cirka 630 mm - Maximal last i formningshiss: 2 000 kg
Formning (horisontellt):
- Horisontell formning är en improviserad lösning som inte kommer att användas i framtiden [H. Ekstrand, ABB, muntlig kommunikation, 20 maj 2015]. Processen sker på verkstadsgolvet utan några nämnvärda begränsningar, mer än traversens kapacitet. - Travers för formning horisontellt: Lyftkapacitet: 5 000 kg, Lyfthöjd: 9 800 mm
Gjutning i singelgjutkärl ”S1-S12”:
- Invändiga mått singelgjutkärl ”S1-S12”: Ø600 mm, Höjd 6 900 mm - Utvändiga mått singelgjutkärl ”S1-S12”: Ø850 mm, Höjd 7 895 mm
- Travers för gjutning i ”S1-S12: Lyftkapacitet: 5 000 kg, Lyfthöjd: 9 800 mm
Gjutning i singelgjutkärl ”autoklav”:
- Invändiga mått singelgjutkärl ”autoklav”: Höjd: 9 300 mm, Bredd: 1 500 mm, Djup: 1 500 mm.
- Utvändiga mått singelgjutkärl ”autoklav”: Utelämnas då yttermåtten inte begränsar processen.
- Travers för gjutning i singelgjutkärl ”autoklav”: Lyftkapacitet: 5 000 kg, Lyfthöjd: 9 800 mm
Pågående utbyggnad vid formning- och gjutprocessen:
En investering vad gäller formning och gjutning är i inledningsfasen vilket kommer öka kapaciteten vid formning och gjutning. Nya begränsningar blir:
Ny formningshiss:
- Möjlig nedsänkningslängd på formningshiss: Cirka 3 000 mm
- Möjlig diameter på kondensatorkropp i formningshiss: Cirka 850 mm - Maximal last i formningshiss: 4 000 kg
- Travers för formning vertikalt: Lyftkapacitet: 6 300 kg, Lyfthöjd: 10 390 mm
Nya singelgjutkärl ”S1-12”:
- Yttermått: Höjd: 8 000 mm, Diameter: 985 mm
Nya singelgjutkärl ”autoklav”:
- Innermått: Höjd: 10 000 mm, Diameter: 850 mm
- Yttermått: Utelämnas då yttermåtten inte begränsar processen.
Ny travers för gjutprocessen:
- Lyftkapacitet: 6 300 kg, Lyfthöjd: 10 390 mm
Svarvning (och eventuell målning)
Svarvning utförs idag externt men en investering för att svarva på företaget är i
inledningsfasen. Svarven innebär möjligheter att kunna svarva kondensatorkroppar med dimensioner [T. Eriksson, ABB, muntlig kommunikation, 25 maj 2015]:
- Möjlig längd på kondensatorkropp i svarv: 12 000 mm
- Möjlig diameter på kondensatorkropp i svarv: 800 mm. En diameter på kondensatorkroppen över 600 mm anses däremot inte produktivt. Målning kommer inte att vara aktuellt med koncepten som har genererats fram [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 13 maj 2015].
Begränsningar; Montage av fästfläns
Vad gäller montering av fästfläns är ett alternativ möjligt, UHV-linen. På UHV-linen monteras de största genomföringarna som ABB Components tillverkar vilket innebär en
genomföringslängd på 24 000 mm och en diameter på 1 200 mm. Nedan listas tänkbara begränsningar som spelar in när det gäller montage av fästfläns:
Montage av fästfläns, UHV-linen:
- Möjlig längd på genomföring i montaget: Cirka 30 000 mm - Möjlig diameter på genomföring i montaget: Cirka 1 200 mm
Begränsningar; Provning (Nakenprov & Rutinprov)
Vad gäller elektriska prov är det en rad elektriska faktorer som styr vad som i slutändan är möjligt att prova. Det kan vara allt från specifika krav på olika elektriska prov från kundens sida till kapaciteten på traverser [R. Andersson, ABB, muntlig kommunikation, 25 maj 2015]. En kartläggning av eventuella begränsningar vad gäller elektriska prov anses därför för avancerad för nivån som förstudien kräver. ABB Components har kapaciteten att prova genomföringar med spänningsnivåer upp till 1 700 kV (AC) och anses därför inte begränsade vad gäller elektriska prov för koncepten som har genererats fram [R. Andersson, ABB, muntlig kommunikation, 20 maj 2015].
Begränsningar; Montering av övriga komponenter
Alternativ vad gäller montering av övriga komponenter är UHV-linen och således blir begränsningarna detsamma som avsnitt Montage av fästfläns – UHV-linen.
Begränsningar; Gelningsprocessen
Gelning utförs vertikalt i montaget genom att genomföringen placeras i en palett. Se bilaga I för illustration av genomföring i palett och hur maximal längd som kan tillämpas förhåller sig till paletten. Nedan listas tänkbara begränsningar i processen för gelning:
- Maximal längd som kan tillämpas i palett: Cirka 2 050 mm - Maximal bredd som kan tillämpas i palett: Cirka 510 mm
- Travers för placering av genomföring i palett: Lyftkapacitet 6 300 kg, Lyfthöjd: 9 700 mm
Begränsningar; Packning
När det gäller packning av genomföring har företaget idag ett alternativ för dimensionerna som koncepten innebär, Stora packningen. Tänkbara faktorer som spelar in när det gäller packning är:
- Möjlig längd på genomföring i packningsutrymmet: Företaget har packat en
genomföring på cirka 18 000 mm men anser att en något längre kapacitet är möjlig. - Travers för packning av genomföring: Lyftkapacitet: 2x10 000 kg, Lyfthöjd: Cirka 20
6 Diskussion
6.1 Värdering av resultat
Målet med förstudien är att ta fram tänkbara lösningskoncept för väggenomföringar av typen RIP som klarar spänningsnivåer upp till 420 kV (AC) samt kartlägga tänkbara faktorer i tillverkningsprocesser som begränsar tillverkning och vidareutveckling av lösningskoncepten. För att uppfylla målet med förstudien har fyra olika lösningskoncept tagits fram som sedan lagt grunden till kartläggningen av tänkbara faktorer som begränsar ABB Components vad gäller tillverkningsprocesser.
Lösningskoncepten är inspirerade av produkter som finns på företaget idag men även av koncept som konkurrenter har. Principen i alla koncept har varit att utgå från en tidigare dimensionsberäknad kondensatorkropp för att säkerställa att isolationsnivåer upp till 420 kV (AC) hålls. Referensobjekt vad gäller dimensioner har framförallt varit en produkttyp som kallas GSB420 vilket är en transformatorgenomföring för 420 kV (AC) som ABB
Components tillverkar. En viss modifikation av kondensatorkroppen i koncepten har varit nödvändig då GSB420 är en transformatorgenomföring. En transformatorgenomföring har en överslagssträcka i luft (kallas luftsida) och en i transformatorn där den omsluts av
transformatorolja (kallas oljesida) medan en väggenomföring har två överslagssträckor i luft [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 13 maj 2015].
Genom att tillämpa kända dimensioner skapas förutsättningar att koncepten klarar av den spänningsnivå som är ett krav enligt kravspecifikationen i avsnitt 5.2.1. Kravet på en genomföring som klarar av en strömnivå på 2000 A uppnås genom att tillämpa en koppar-ledare som ABB Components idag använder i liknande koncept. I koncepten har framförallt solida kopparledare använts men även en ihålig. Skillnaden blir framförallt strömnivån som kan tillämpas men även prisnivån. En solid kopparledare medför ett högre pris men i gengäld skapar man förutsättning att genomföringen klarar högre strömnivåer [A. Axelsson, ABB, muntlig kommunikation, 13 maj 2015]. Enligt kravspecifikationen är minsta tillåtna överslagssträcka (flashover distance, FOD) 3235 mm på vardera sida och att isolanter av silikongummi ska användas. För att uppnå detta har GSB420-isolanter eller likvärdiga alternativ som ABB Components har idag och minst genererar en överslagssträcka på 3235 mm använts. Enligt kravspecifikationen ska koncepten vara utformade för tillämpning i vägg
